Электрические поля и емкость
Глава 13 - Конденсаторы
Всякий раз, когда существует электрическое напряжение между двумя отдельными проводниками, электрическое поле присутствует в пространстве между этими проводниками. В базовой электронике мы изучаем взаимодействия напряжения, тока и сопротивления, поскольку они относятся к цепям, которые являются проводящими путями, через которые могут двигаться электроны. Однако, когда мы говорим о полях, мы имеем дело с взаимодействиями, которые могут распространяться по пустому пространству.
По общему признанию, понятие «поля» несколько абстрактно. По крайней мере, с электрическим током не так уж сложно представить крошечные частицы, называемые электронами, движущимися между ядрами атомов внутри проводника, но «поле» даже не имеет массы и вообще не должно существовать внутри вещества.
Несмотря на его абстрактный характер, почти у каждого из нас есть прямой опыт работы с полями, по крайней мере в виде магнитов. Вы когда-нибудь играли с парой магнитов, замечая, как они привлекают или отталкивают друг друга в зависимости от их относительной ориентации »// www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-15/magnetic-fields-and-inductance/ «> магнитные поля в пространстве между ними. Если железные опилки располагаются вблизи магнита, они ориентируются вдоль линий поля, визуально указывая на его присутствие.
Предметом этой главы являются электрические поля (и устройства, называемые конденсаторами, которые их эксплуатируют), а не магнитные поля, но есть много сходств. Скорее всего, вы испытали и электрические поля. Глава 1 этой книги начиналась с объяснения статического электричества и того, как материалы, такие как воск и шерсть, когда они натирались друг против друга, вызвали физическую привлекательность. Опять же, физики описывали бы это взаимодействие в терминах электрических полей, генерируемых этими двумя объектами в результате их электронных дисбалансов. Достаточно сказать, что всякий раз, когда существует напряжение между двумя точками, в пространстве между этими точками появляется электрическое поле.
Поля имеют две меры: полевую силу и полевой поток. Сила поля - это количество «толчка», которое поле оказывает на определенное расстояние. Полевой поток представляет собой общее количество или эффект поля в пространстве. Полевая сила и поток примерно аналогичны напряжению («толчок») и току (потоку) через проводник, соответственно, хотя поток поля может существовать в полностью пустом пространстве (без движения частиц, таких как электроны), тогда как ток может иметь место где есть свободные электроны, чтобы двигаться. Полевой поток можно противопоставить в пространстве, подобно тому, как потоку электронов может противостоять сопротивление. Количество полевого потока, которое будет развиваться в космосе, пропорционально величине применяемой силы поля, деленной на величину противодействия потоку. Подобно тому, как тип проводящего материала диктует удельное сопротивление проводника электрическому току, тип изоляционного материала, разделяющего два проводника, диктует конкретную оппозицию потоку поля.
Как правило, электроны не могут войти в проводник, если не будет пути выхода из одинакового количества электронов (помните аналогию с мрамором в трубке?). Вот почему проводники должны быть соединены вместе по круговой траектории (цепи) для непрерывного тока. Как ни странно, однако, дополнительные электроны могут быть «сжаты» в проводник без пути выхода, если электрическое поле разрешено развиваться в пространстве относительно другого проводника. Количество дополнительных свободных электронов, добавленных в проводник (или отбираемые свободные электроны), прямо пропорционально величине потока потока между двумя проводниками.
Конденсаторы представляют собой компоненты, предназначенные для использования этого явления, путем размещения двух проводящих пластин (обычно металлических) в непосредственной близости друг от друга. Существует много разных стилей конструкции конденсаторов, каждая из которых подходит для конкретных оценок и целей. Для очень маленьких конденсаторов достаточно двух круглых пластин, сэндвичающих изоляционный материал. Для больших значений конденсатора «пластины» могут быть полосами из металлической фольги, зажатой вокруг гибкой изолирующей среды и свернутой для компактности. Наивысшие значения емкости получены с использованием слоя микроскопической толщины изолирующего оксида, разделяющего две проводящие поверхности. Однако в любом случае общая идея такая же: два проводника, разделенные изолятором.
Схематический символ для конденсатора довольно прост, будучи чуть более двух коротких параллельных линий (представляющих пластины), разделенных щелью. Провода присоединяются к соответствующим пластинам для подключения к другим компонентам. Более старый, устаревший схематический символ для конденсаторов показал чередующиеся пластины, что на самом деле является более точным способом представления реальной конструкции большинства конденсаторов:
Когда напряжение подается на две пластины конденсатора, между ними создается концентрированный поток полей, позволяющий развить между двумя пластинами разность свободных электронов (заряда):
Поскольку электрическое поле устанавливается приложенным напряжением, дополнительные свободные электроны вынуждены собираться на отрицательном проводнике, а свободные электроны «ограждаются» от положительного проводника. Этот дифференциальный заряд соответствует накоплению энергии в конденсаторе, представляющему потенциальный заряд электронов между двумя пластинами. Чем больше разность электронов на противоположных пластинах конденсатора, тем больше поток поля и больший «заряд» энергии, который будет хранить конденсатор.
Поскольку конденсаторы сохраняют потенциальную энергию накопленных электронов в виде электрического поля, они ведут себя совсем иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла) в цепи. Накопление энергии в конденсаторе зависит от напряжения между пластинами, а также других факторов, которые мы обсудим далее в этой главе. Способность конденсатора сохранять энергию в зависимости от напряжения (разность потенциалов между двумя выводами) приводит к стремлению поддерживать напряжение на постоянном уровне. Другими словами, конденсаторы склонны сопротивляться изменениям падения напряжения. Когда напряжение на конденсаторе увеличивается или уменьшается, конденсатор «сопротивляется» изменению, вытягивая ток или подавая ток в источник изменения напряжения в противоположность изменению.
Чтобы сохранить больше энергии в конденсаторе, напряжение на нем должно быть увеличено. Это означает, что на пластину (-) необходимо добавить больше электронов и больше отнять с пластины (+), что требует тока в этом направлении. И наоборот, чтобы выпустить энергию из конденсатора, напряжение на нем должно быть уменьшено. Это означает, что некоторые избыточные электроны на пластине (-) должны быть возвращены на пластину (+), что требует тока в другом направлении.
Так же, как первый закон движения Исаака Ньютона («движущийся объект имеет тенденцию оставаться в движении, неподвижный объект стремится оставаться в покое») описывает тенденцию массы противостоять изменениям скорости, мы можем констатировать тенденцию к конденсации противостоять изменениям напряжения как таковым: «заряженный конденсатор имеет тенденцию оставаться заряженным; разрядный конденсатор имеет тенденцию оставаться разряженным ». Гипотетически, конденсатор, оставшийся нетронутым, будет бесконечно поддерживать какое бы то ни было напряжение заряда напряжения, оставив его. Только внешний источник (или слив) тока может изменять заряд напряжения, накопленный идеальным конденсатором:
Практически, однако, конденсаторы в конечном итоге потеряют свои накопленные заряды напряжения из-за внутренних путей утечки электронов, чтобы течь от одной пластины к другой. В зависимости от конкретного типа конденсатора время, затрачиваемое на накапливание накопленного заряда напряжения, может быть длительным (несколько лет с конденсатором, сидящим на полке!).
Когда напряжение на конденсаторе увеличивается, он потребляет ток от остальной части схемы, действуя как силовая нагрузка. В этом случае считается, что конденсатор заряжается, поскольку в его электрическом поле сохраняется все большее количество энергии. Обратите внимание на направление тока электрона относительно полярности напряжения:
И наоборот, когда напряжение на конденсаторе уменьшается, конденсатор подает ток в остальную часть схемы, действуя как источник питания. В этом случае считается, что конденсатор разряжается. Его запас энергии, удерживаемый в электрическом поле, теперь уменьшается, когда энергия выходит на остальную часть схемы. Обратите внимание на направление тока электрона относительно полярности напряжения:
Если источник напряжения внезапно применяется к незаряженному конденсатору (внезапное увеличение напряжения), конденсатор будет вытягивать ток из этого источника, поглощая от него энергию, до тех пор, пока напряжение конденсатора не станет равным напряжению источника. Когда напряжение конденсатора достигло этого конечного (заряженного) состояния, его ток падает до нуля. И наоборот, если сопротивление нагрузки подключено к заряженному конденсатору, конденсатор будет подавать ток на нагрузку до тех пор, пока он не отпустит всю свою накопленную энергию, а ее напряжение не упадет до нуля. Когда напряжение конденсатора достигает этого окончательного (разряженного) состояния, его ток падает до нуля. В их способности заряжаться и разряжаться конденсаторы можно рассматривать как действующие как аккумуляторы вторичных батарей.
Выбор изоляционного материала между пластинами, как уже упоминалось ранее, оказывает большое влияние на то, сколько полевого потока (и, следовательно, сколько заряда) будет развиваться при любом заданном количестве напряжения, приложенного к пластинам. Из-за роли этого изоляционного материала в воздействии потока потока он имеет особое название: диэлектрик. Не все диэлектрические материалы равны: степень, в которой материалы подавляют или стимулируют образование потока электрического поля, называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.
Мера емкости конденсатора для хранения энергии для данного количества падения напряжения называется емкостью. Неудивительно, что емкость также является мерой интенсивности противодействия изменениям напряжения (точно, сколько тока он будет производить при заданной скорости изменения напряжения). Емкость символически обозначается с капиталом «С» и измеряется в единице Фарада, сокращенно «Ф.», Конвенция по какой-то нечетной причине предпочла метрический префикс «микро» при измерении больших емкостей, и поэтому многие конденсаторы оцениваются с точки зрения смешано больших значений микрофарада: например, один большой конденсатор, который я видел, оценивался в 330 000 микрофарад! ! Почему бы не указать его как 330 миллифард «Конденсатор (или конденсатор)»>
Устаревшее название конденсатора - конденсатор или конденсатор. Эти термины не используются ни в каких новых книгах или схематических диаграммах (насколько мне известно), но они могут встречаться в старой электронной литературе. Возможно, наиболее широко известное использование термина «конденсатор» относится к автомобильной технике, где небольшой конденсатор, называемый этим именем, использовался для смягчения чрезмерного искрообразования через контакты переключателя (называемые «точками») в электромеханических системах зажигания.
- ОБЗОР:
- Конденсаторы реагируют на изменения напряжения путем подачи или вытягивания тока в направлении, необходимом для противодействия изменению.
- Когда конденсатор сталкивается с увеличивающимся напряжением, он действует как нагрузка: тяговый ток, поглощающий энергию (ток идет с отрицательной стороны и с положительной стороны, как резистор).
- Когда конденсатор сталкивается с уменьшающимся напряжением, он действует как источник: подает ток, когда он высвобождает накопленную энергию (ток выходит с отрицательной стороны и с положительной стороны, как аккумулятор).
- Способность конденсатора сохранять энергию в виде электрического поля (и, следовательно, противостоять изменениям напряжения) называется емкостью. Он измеряется в блоке Фарада (F).
- Конденсаторы обычно широко известны под другим термином: конденсатор (альтернативно называемый «конденсатор»).